Sistemi sensoriali/Sistema vestibolare

Sistemi sensoriali

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Introduzione

La funzione principale del sistema dell'equilibrio, o sistema vestibolare, è quella di percepire i movimenti della testa, soprattutto quelli involontari, e di contrastarli con movimenti riflessivi degli occhi e aggiustamenti posturali che mantengono stabile il nostro campo visivo, impedendoci di cadere. Un eccellente articolo più esteso sul sistema vestibolare è disponibile su Scholorpedia . Un'ampia rassegna delle nostre attuali conoscenze sul sistema vestibolare si trova in "The Vestibular System: a Sixth Sense" di J Goldberg et al .

Anatomia del sistema vestibolare

Labirinto membranoso

Insieme alla coclea, il sistema vestibolare è costituito da un sistema di tubi chiamato labirinto membranoso. Questi tubi sono alloggiati all'interno delle cavità del labirinto osseo, situato nell'orecchio interno. Un fluido chiamato perilinfa riempie lo spazio tra l'osso e il labirinto membranoso, mentre un altro chiamato endolinfa riempie l'interno dei tubi attraversati dal labirinto membranoso. Questi fluidi hanno una composizione ionica specifica adatta per regolare il potenziale elettrochimico delle cellule ciliate, i trasduttori del sistema vestibolare. Infatti, il potenziale elettrico dell'endolinfa è di circa 80 mV più positivo rispetto alla perilinfa.

Poiché i nostri movimenti consistono in una combinazione di traslazioni e rotazioni lineari, il sistema vestibolare è composto da due parti principali: gli organi otolitici, che percepiscono le accelerazioni lineari (anteroposteriori, laterali, rostrale-caudale) e che ci danno informazioni sulla posizione della testa rispetto alla direzione della forza di gravità, e i canali semicircolari, che percepiscono le accelerazioni angolari.

Anatomia dell'orecchio interno	Labirinto osseo umano (Tomografia computerizzata 3D)	Struttura interna del labirinto umano
		1) Nervo vestibolare 2) Nervo cocleare 3) Nervo facciale 4) Ganglio genicolato 5) Corda del timpano 6) Coclea 7) Canali semicircolari 8) Martello 9) Timpano 10) Tromba di Eustachio.

Organi otolitici

Gli organi otolitici di entrambe le orecchie sono formati da due sacche membranose chiamate utricolo e sacculo. Quest’ultime percepiscono rispettivamente le accelerazioni orizzontali e verticali. Ogni utricolo conta circa 30.000 cellule ciliate, mentre ogni sacculo circa 16.000. Gli organi otolitici si trovano nella parte centrale del labirinto, chiamato anche vestibolo dell'orecchio. Sia l'utricolo che il sacculo presentano una porzione di membrana ispessita chiamata macula. Al di sopra di questa si trova una membrana gelatinosa chiamata membrana otolitica, in cui sono incastonati microscopici sassolini di carbonato di calcio, chiamati otoliti. Al di sotto della membrana otolitica, le cellule ciliate proiettano i loro cigli all’interno della macula.

Gli organi otolitici sono gli organi sensoriali umani per l'accelerazione lineare. L'utricolo (a sinistra) è orientato orizzontalmente; il sacculo (al centro) verticalmente. Le frecce indicano le direzioni locali delle cellule ciliate; le linee nere spesse indicano la posizione della striola, l’asse di simmetria della macula. A destra si vede una sezione trasversale di un organo otolitico. Le immagini sono state generate da Rudi Jaeger

Canali semicircolari

Sezione trasversale dell'ampolla. In alto: la cupola attraversa il lume dell'ampolla dalla crista al labirinto membranoso. In basso: poiché l'accelerazione della testa supera l'accelerazione dell'endolinfa, il flusso relativo dell'endolinfa nel canale è opposto alla direzione dell'accelerazione della testa. Questo flusso produce una pressione sulla cupola, che si deflette in risposta.

Ogni orecchio ha tre canali semicircolari. Si tratta di tubi membranosi semicircolari, interconnessi e contenenti endolinfa. Essi sono in grado di percepire accelerazioni angolari nei tre piani ortogonali. Il raggio di curvatura del canale semicircolare orizzontale umano è di 3,2 mm .

I canali di ciascun lato sono all’incirca ortogonali tra loro. L'orientamento delle direzioni dei canali sul lato destro è :

Canale	X	Y	Z
Orizzontale	0.32269	-0.03837	-0.94573
Anteriore	0.58930	0.78839	0.17655
Posteriore	0.69432	-0.66693	0.27042

Gli assi sono orientati in modo tale che gli assi positivi x, y e z puntino rispettivamente in avanti, a sinistra e in alto. Il piano orizzontale è definito dalla linea di base (detta anche linea di Reid), linea che collega il bordo inferiore dell'orbita e il centro del condotto uditivo esterno. Le direzioni sono tali che una rotazione attorno al vettore di direzione, secondo la regola della mano destra, attiva il canale corrispondente. I canali semicircolari anteriori e posteriori sono verticali, mentre i canali semicircolari orizzontali sono orizzontali.

Ogni canale presenta una dilatazione a un'estremità, chiamata ampolla. Ogni ampolla contiene una cresta di tessuto a forma di cono, chiamata la cresta ampollare, che la attraversa da parte a parte. È ricoperta da neuroepitelio, ossia cellule ciliate e cellule di sostegno. Da questa cresta si erge una struttura gelatinosa, la cupola, che si estende fino al tetto dell'ampolla immediatamente sopra di essa, dividendo l'interno dell'ampolla in due parti approssimativamente uguali.

Cellule ciliate vestibolari

Meccanismo di trasduzione nella cellula ciliata uditiva o vestibolare. La flessione delle stereociglia verso il chinociglio permette l’apertura dei canali ionici del potassio. Ciò modifica il potenziale a riposo della cellula. L'emissione di neurotrasmettitori che ne deriva può provocare un potenziale d'azione (AP) nella cellula postsinaptica.

Le cellule ciliate uditive sono molto simili a quelle del sistema vestibolare. Qui un'immagine al microscopio elettronico della cellula ciliata del sacculus di una rana.

Le cellule ciliate all'interno degli organi otolitici e dei canali semicircolari agiscono come sensori. Esse sono responsabili della trasduzione da forza meccanica a segnale elettrico e costituiscono così l'interfaccia tra il mondo fisico e il cervello.

Le cellule ciliate presentano delle stereociglia a livello della superficie apicale. La stereociglia più spessa e lunga è chiamata chinociglio. La flessione delle stereocilia è alla base della trasduzione della forza meccanica in segnale elettrico. Le stereociglia di ogni cellula ciliata sono collegate l'una all'altra da filamenti proteici, chiamati tip-links, che partono dal lato di uno stereociglio e terminano sulla punta del suo vicino più corto. In caso di deflessione del ciuffo, i tip-links agiscono come molle di regolazione per aprire e chiudere canali ionici, che sono per l’appunto meccanicamente sensibili. L'eccitazione del nervo afferente funziona nel modo seguente: quando tutte le stereociglia vengono deviate verso il chinociglio, i canali ionici si aprono e i cationi, compresi gli ioni potassio provenienti dall'endolinfa (ricca di potassio), entrano all’interno della cellula ciliata, il cui potenziale di membrana diventa più positivo: essa si depolarizza. È importante notare che la cellula ciliata in sé non emette potenziali d'azione. Invece, la depolarizzazione attiva i canali del calcio sensibili al voltaggio nella parte basolaterale della cellula. Quindi, gli ioni di calcio affluiscono e innescano il rilascio di neurotrasmettitori (permettendo la fusione delle vescicole alla membrana basolaterale), soprattutto glutammato, che a loro volta si diffondono nello spazio ristretto tra la cellula ciliata e un terminale nervoso. Qui, i neurotrasmettitori si legano ai recettori del terminale postsinaptico, eccitandoli e innescando dunque un aumento della frequenza dei potenziali d'azione. D'altra parte, l'inibizione del nervo afferente è il processo indotto dal piegamento delle stereociglia lontano dal chinociglio (iperpolarizzazione), con il quale viene diminuita la frequenza dei potenziali di attenzione. Poiché le cellule ciliate perdono cronicamente calcio, il nervo afferente vestibolare si attiva a riposo, consentendo così di percepire entrambe le direzioni (aumento e diminuzione della frequenza). Le cellule ciliate sono molto sensibili e rispondono con estrema rapidità agli stimoli. La rapidità della risposta delle cellule ciliate può essere in parte dovuta al fatto che devono essere in grado di rilasciare neurotrasmettitori in modo affidabile in risposta a un potenziale recettoriale caratterizzato da una soglia di attivazione di soli 100 µV circa.

Cellule ciliate regolari e irregolari

Mentre le cellule afferenti del sistema uditivo sono abbastanza omogenee, quelle del sistema vestibolare possono essere separate in due gruppi: regolari e irregolari. Le cellule regolari hanno intervalli tra gli spike grossomodo costanti e si attivano in modo proporzionale al loro spostamento. Al contrario, l'intervallo tra gli spike delle cellule irregolari è molto più variabile e la loro frequenza di attivazione aumenta con l'aumentare della frequenza del segnale; possono quindi agire come rilevatori di eventi ad alta frequenza. Le cellule ciliate regolari e irregolari differiscono inoltre per la loro posizione, morfologia e innervazione.

Elaborazione del segnale

Trasduzione del segnale periferico

Trasduzione dell'accelerazione lineare

Eccitazione (rosso) e inibizione (blu) di utricolo (sinistra) e sacculo (destra), quando la testa è orientata con l'orecchio destro verso il basso. Lo spostamento degli otoliti è stato calcolato con il metodo degli elementi finiti; l'orientamento delle cellule ciliate è stato ricavato dalla letteratura.

Le cellule ciliate degli organi otolitici sono responsabili della trasduzione di una forza meccanica (indotta dall'accelerazione lineare) in un segnale elettrico. Poiché questa forza è il prodotto della gravità e dei movimenti lineari della testa,

${\vec {F}}={\vec {F}}_{g}+{\vec {F}}_{inerziale}=m({\vec {g}}-{\frac {d^{2}{\vec {x}}}{dt^{2}}})$

è quindi talvolta indicata come forza gravito-inerziale. Il meccanismo di trasduzione funziona come segue: gli otoconi, dei cristalli di carbonato di calcio nello strato superiore degli organi otolitici, hanno una densità superiore a quella dei materiali circostanti. Pertanto, un'accelerazione lineare porta a uno spostamento dello strato di otoconia rispetto al tessuto connettivo. Questo spostamento viene percepito dalle cellule ciliate, le cui stereociglia si flettono, polarizzando la cellula. A dipendenza della direzione, ciò induce un'eccitazione o un'inibizione afferente.

Sebbene ciascuno dei tre canali semicircolari percepisca l'accelerazione rotazionale solamente in una componente unidimensionale, l'accelerazione lineare può produrre un complesso schema di inibizione ed eccitazione nelle macule dell'utricolo e del sacculo. Il sacculo si trova sulla parete mediale del vestibolo del labirinto, nell'incavo sferico, e ha la sua macula orientata verticalmente. L'utricolo si trova sopra il sacculo nel recesso ellittico del vestibolo e la sua macula è orientata in senso orizzontale quando la testa è eretta. All'interno di ogni macula, le chinociglia delle cellule ciliate sono orientate in tutte le direzioni possibili.

Pertanto, in presenza di un'accelerazione lineare con la testa eretta, la macula del sacculo rileva le componenti di accelerazione sul piano verticale, mentre la macula utricolare codifica l'accelerazione in tutte le direzioni sul piano orizzontale. La membrana otolitica è sufficientemente morbida per far sì che ogni cellula ciliata venga deflessa in modo proporzionale alla direzione della forza locale. Se si denota la direzione di massima sensibilità o direzione della cellula ciliata e la forza gravito-inerziale, la stimolazione da parte delle accelerazioni statiche è data da

$stim_{otolite}={\vec {F}}\cdot {\vec {n}}$

La direzione e l'entità dell'accelerazione totale sono quindi determinate dall’ eccitazione sulle macule otolitiche.

Trasduzione dell'accelerazione angolare

Stimolazione canale semicircolare	Piani anatomici
La stimolazione di un canale semicircolare umano è proporzionale al prodotto scalare tra un vettore n (che è perpendicolare al piano del canale) e il vettore omega che indica la velocità angolare.	Piani anatomici principali rispetto a un modello di testa umana. In blu, piano orizzontale. In rosso, piano sagittale. In verde, piano frontale

I tre canali semicircolari sono responsabili del rilevamento delle accelerazioni angolari. Quando la testa accelera in una direzione che si trova sul piano di un canale semicircolare, l'inerzia fa sì che l'endolinfa nel canale rimanga ferma e quindi in posizione arretrata rispetto al movimento del canale membranoso. Prendendo le pareti del canale come riferimento, l'endolinfa si muove effettivamente nella direzione opposta a quella della testa, spingendo e quindi distorcendo la cupola elastica. Le cellule ciliate sono disposte sotto la cupola nello strato della crista e le loro stereocilia sporgono nella cupola. Sono quindi eccitate o inibite a seconda della direzione dell'accelerazione.

Orientamento dei canali semicircolari nel sistema vestibolare. "L / R" stanno rispettivamente per "sinistra / destra" e "H / A / P" per "orizzontale / anteriore / posteriore". Le frecce indicano la direzione del movimento della testa che provoca una stimolazione del canale in questione

Questo facilita l'interpretazione dei segnali dei canali: se l'orientamento di un canale semicircolare è descritto dal vettore n ⃗, la stimolazione del canale è proporzionale alla proiezione della velocità angolare ω su questo canale:

$stim_{canale}={\vec {\omega }}\cdot {\vec {n}}$

Il canale semicircolare orizzontale è responsabile del rilevamento delle accelerazioni intorno a un asse verticale, cioè il collo, quindi nel piano orizzontale. I canali semicircolari anteriore e posteriore rilevano le rotazioni della testa nel piano sagittale, come quando si annuisce, e nel piano frontale, come quando si fa la ruota.

I canali semicircolari funzionano come un sistema push-pull rispetto ai due lati. Sebbene tutte le cellule ciliate della stessa cupola siano orientate nella stessa direzione, esse sono orientate in direzione opposta all’interno del canale semicircolare “partner” dall’altro lato della testa. Ad esempio, poiché le criste dei canali orizzontali destro e sinistro sono "opposte" l'una all'altra, hanno sempre risposte opposte alle rotazioni orizzontali della testa. Una rapida rotazione della testa verso sinistra provoca la depolarizzazione delle cellule ciliate nell'ampolla del canale orizzontale sinistro e un aumento dei potenziali d'azione nei neuroni che innervano il canale orizzontale sinistro. La stessa rotazione della testa verso sinistra causa contemporaneamente un'iperpolarizzazione delle cellule ciliate nell'ampolla del canale orizzontale destro e una diminuzione dei potenziali d'azione nei neuroni che innervano il canale orizzontale dell'orecchio destro. A causa di questa configurazione speculare, non solo i canali orizzontali destro e sinistro formano una coppia push-pull, ma anche il canale anteriore destro con il canale posteriore sinistro (RALP) e il canale anteriore sinistro con il canale posteriore destro (LARP).

Vie vestibolari centrali

Le informazioni derivanti dal sistema vestibolare sono trasportate al cervello insieme alle informazioni uditive provenienti dalla coclea dal nervo vestibolococleare, che è l'ottavo dei dodici nervi cranici. I corpi cellulari dei neuroni afferenti che innervano le cellule ciliate delle macule e delle criste del labirinto vestibolare risiedono nel meato uditivo interno, più precisamente nel ganglio vestibolare (detto anche ganglio di Scarpa). Gli assoni proiettati centralmente dal ganglio vestibolare si uniscono agli assoni proiettati dai neuroni uditivi per formare l'ottavo nervo, che attraversa il meato uditivo interno insieme al nervo facciale. I neuroni vestibolari afferenti primari proiettano ai quattro nuclei vestibolari che costituiscono il complesso nucleare vestibolare nel tronco encefalico.

Riflesso vestibolo-oculare (RVO)

Riflesso vestibolo-oculare.

Un esempio di funzione del sistema vestibolare ampiamente studiato è il riflesso vestibolo oculare (RVO). La funzione del RVO è quella di stabilizzare l'immagine durante la rotazione della testa. Ciò richiede il mantenimento di una posizione stabile degli occhi durante le rotazioni orizzontali, verticali e torsionali della testa. Quando la testa ruota con una certa velocità e direzione, gli occhi ruotano con la stessa velocità ma in direzione opposta. Poiché i movimenti della testa sono sempre presenti, il RVO è molto importante per stabilizzare la visione.

Come funziona il RVO? Il sistema vestibolare segnala la velocità di rotazione della testa e il sistema oculomotore utilizza queste informazioni per stabilizzare gli occhi e mantenere immobile l'immagine visiva sulla retina. I nervi vestibolari proiettano dal ganglio vestibolare al complesso nucleare vestibolare, dove i nuclei vestibolari integrano i segnali degli organi vestibolari con quelli del midollo spinale, del cervelletto e del sistema visivo. Da questi nuclei, le fibre passano al nucleus abducens controlaterale, dove fanno sinapsi con altri due fasci nervosi. Il primo proietta direttamente al muscolo retto laterale dell'occhio attraverso il nervo abducente. Il secondo tratto nervoso proietta tramite gli interneuroni abducenti dal nucleo abducente ai nuclei oculomotori, che contengono i motoneuroni che guidano l'attività muscolare dell'occhio, attivando in particolare i muscoli retti mediali dell'occhio attraverso il nervo oculomotore. Questa connessione a breve latenza è talvolta definita arco a tre neuroni e consente un movimento oculare entro meno di 10 millisecondi dall'inizio del movimento della testa.

Ad esempio, quando la testa ruota verso destra, si verifica quanto segue. Le cellule ciliate del canale orizzontale destro si depolarizzano e quelle di sinistra si iperpolarizzano. L'attività afferente vestibolare destra aumenta quindi, mentre quella sinistra diminuisce. Il nervo vestibolococleare trasporta quindi queste informazioni al tronco encefalico e l'attività dei nuclei vestibolari di destra aumenta mentre quella di sinistra diminuisce. Questo fa sì che i neuroni del nucleo abducente sinistro e del nucleo oculomotore destro si attivino a una velocità maggiore. Quelli del nucleo oculomotore sinistro e del nucleo abducente destro si attivano a un ritmo inferiore. Ne consegue che il muscolo extraoculare retto laterale sinistro e il retto mediale destro si contraggono, mentre il retto mediale sinistro e il retto laterale destro si rilassano. In questo modo, entrambi gli occhi ruotano verso sinistra.

Il guadagno del VOR è definito come la variazione dell'angolo dell'occhio divisa per la variazione dell'angolo della testa durante la rotazione della testa.

$guadagnodelRVO={\frac {\Delta _{occhio}}{\Delta _{testa}}}$

Se il guadagno del RVO è sbagliato, cioè diverso da uno, i movimenti della testa provocano un movimento dell'immagine sulla retina. Ciò ha come conseguenza una visione sfocata. In queste condizioni, l'apprendimento motorio regola il guadagno del VOR per produrre un movimento oculare più preciso. Il cervelletto svolge quindi un ruolo importante nell'apprendimento motorio.

Il cervelletto e il sistema vestibolare

È noto che il controllo posturale può essere adattato a un comportamento specifico. Esperimenti su pazienti suggeriscono che il cervelletto svolge un ruolo chiave in questa forma di apprendimento motorio. In particolare, il ruolo del cervelletto è stato ampiamente studiato nel caso dell'adattamento del controllo vestibolo-oculare. È stato infatti dimostrato che il guadagno del riflesso vestibolo-oculare si adatta per raggiungere il valore di uno anche se si verifica un danno in una parte della via neuronale responsabile del VOR o se viene modificato volontariamente attraverso l'uso di lenti di ingrandimento. Esistono fondamentalmente due diverse ipotesi su come il cervelletto svolga un ruolo necessario in questo adattamento. La prima (Ito 1972; Ito 1982) sostiene che il cervelletto stesso sia la sede dell'apprendimento, mentre la seconda di Miles e Lisberger (Miles e Lisberger 1981) sostiene che i nuclei vestibolari siano la sede dell'apprendimento adattivo mentre il cervelletto costruisce il segnale che guida questo adattamento. Si noti che, oltre all'input eccitatorio diretto ai nuclei vestibolari, i neuroni sensoriali del labirinto vestibolare forniscono input anche alle cellule di Purkinje nei lobi flocculo-nodulari del cervelletto attraverso un percorso di fibre muscolari parallele. A loro volta, le cellule di Purkinje proiettano segnali inibitori ai nuclei vestibolari. Ito ha sostenuto che il guadagno del VOR può essere modulato in modo adattivo alterando la forza relativa delle vie eccitatorie dirette e inibitorie indirette. Ito ha anche sostenuto che un messaggio di slittamento dell'immagine sulla retina che attraversa il nucleo olivare inferiore svolge il ruolo di segnale di errore e quindi costituisce l'influenza modulante delle cellule di Purkinje. D'altra parte, Miles e Lisberger hanno sostenuto che i neuroni del tronco encefalico bersagliati dalle cellule di Purkinje sono la sede dell'apprendimento adattativo e che il cervelletto costruisce il segnale di errore che guida questo adattamento.

Alcol e sistema vestibolare

Anche il consumo di alcol può indurre una sensazione di rotazione. La spiegazione è abbastanza semplice e si basa fondamentalmente su due fattori:

• l'alcol è più leggero dell'endolinfa; e
• una volta nel sangue, l'alcol si diffonde relativamente velocemente nella cupola, che ha un buon afflusso di sangue. Al contrario, si diffonde solo lentamente nell'endolinfa, per un periodo di alcune ore.

In combinazione, questo porta a un rigonfiamento della cupola subito dopo aver consumato (troppo) alcol. Quando ci si sdraia su un fianco, la deviazione delle cupole orizzontali destra e sinistra si somma e induce una forte sensazione di rotazione. La prova: basta rotolare sull'altro lato e la direzione di rotazione percepita si capovolge!

A causa della posizione delle cupole, l'effetto più forte si ha quando ci si sdraia sul fianco. Quando ci si sdraia sulla schiena, la deviazione della cupola sinistra e di quella destra si compensano a vicenda e non si avverte alcuna rotazione orizzontale. Questo spiega perché mettere una gamba fuori dal letto rallenta la rotazione percepita. L'effetto complessivo è ridotto al minimo nella posizione eretta della testa: cercate quindi di rimanere in piedi il più a lungo possibile durante la festa!

Se avete bevuto troppo, la mattina dopo l'endolinfa conterrà una quantità significativa di alcol, più della cupola. Questo spiega perché a quel punto una piccola quantità di alcol (ad esempio una birra piccola) bilancia la differenza e riduce la sensazione di stordimento.